光响应螺吡喃类衍生物的研究进展*

翁城武，高功敏，朱鸿达，吴芸芸，韩 辉

(1 泉州海关综合技术服务中心，福建 泉州 362000；2山西大学环境科学研究所，山西 太原 030001)

螺吡喃是众所周知的光致变色化合物，即通过紫外光和可见光(或热)可以在无色闭环构型与有色开环部花菁构型之间进行可逆的异构化。早在1965年，Phillips等[1]发现部花菁的螯合能力；此后，人们对金属离子与螺吡喃的相互作用，特别是对其光化学和光物理性质的影响产生了浓厚的兴趣[2-5]。一个很重要的原因是能够被阳离子诱导异构化的螺吡喃衍生物在金属离子识别方面具有很好的应用前景，且开环的部花菁结构通常可以发射近红外波长的荧光，同时识别体系前后颜色变化明显，可肉眼识别。

迄今为止，已报道的可以被金属离子诱导开环的螺吡喃衍生物结构大都是通过在N原子或7-位修饰可以与金属离子发生配位作用的官能团。从分子键的角度来说，螺吡喃闭环与开环的转化是C-O键的形成与断裂，因此任何能促进C-O键断裂的方式都应该能促进部花菁结构的形成，而对能够光致开环的螺吡喃来说，其机理是紫外光照射导致电子跃迁，改变了轨道能量，使得C-O键两个原子间参与成键的轨道不再匹配而发生断裂。

1 在金属离子识别方面的应用

目前为止，通过在N和7-位修饰配位官能团得到的螺吡喃开环体系可结合的金属离子包括Na+，Li+，Cu2+，Zn2+，Hg2+，Ni2+，Co2+，Cd2+和Eu3+等。

早期研究中最有代表性的金属离子诱导的螺吡喃开环体系是大坂府立大学的Inouye等[4]开发的碱金属诱导的体系，该体系中螺吡喃的结构特点是在N原子引入了冠醚作为修饰基团，而冠醚是常用的碱金属识别基团，冠醚与碱金属离子络合后，螺吡喃的氧原子参与配位，促进了螺吡喃的开环，随后该课题组开发了一系列以冠醚为修饰基团的碱金属诱导的螺吡喃开环体系，并系统研究了不同碱金属离子与该螺吡喃结构结合后的光化学和光物理性质，为后来不同金属离子诱导的螺吡喃体系的结构设计提供了思路[5]。

随后的研究主要围绕在螺吡喃的7-位引入识别基团来设计相关体系。1999年，华盛顿海军科学实验的Evans等[6]制备了一类喹啉并螺吡喃结构，该结构可以与Hg2+，Cd2+，Co2+，Cu2+，Zn2+和Ni2+等重金属离子发生配位，但开环结构与金属离子形成的络合物在可见光条件不稳定，在可见光照射下能够从开环的配位结构变回闭环的螺吡喃构型。

2005年，日本和歌山大学的Sakamoto等[7]将冠醚引入螺吡喃的7-位得到了一类可以与碱金属诱导开环的螺吡喃化合物，文中作者对不同结构的化合物对碱金属的选择性诱导进行了详细研究，结果表明二氮杂-12-冠-4-双螺吡喃表现出优异Li+选择性，并且紫外光和可见光可以加速或者减慢碱金属离子对该类结构的诱导开环。

北京大学的邵娜及其合作者在螺吡喃的7-位引入了不同的氨基化合物得到了一系列可以选择性与铜离子(a,b)和锌离子(c)发生诱导开环作用的结构[8-11]，其中他们还对结构a与铜离子的络合物用于半胱氨酸和高半胱氨酸的定性与定量分析。类似的研究还有香港浸会大学的朱等在7-位修饰了8-氨基喹啉(d,e)，该类结构可以选择性与锌离子发生诱导开环作用[12-13]。

另外也有研究是在N的位置引入非冠醚类结构实现金属离子对螺吡喃结构的诱导开环，台湾国立中山大学的Wu等[14]描述了一个螺吡喃功能化的半导体聚合物，可以作为荧光探针的对Cu2 +进行比例检测，即Cu2+可以诱导该符合结构的螺吡喃开环，其中感应机制是荧光共振能量转移。

2 在氨基酸、阴离子等小分子识别方面的应用

另外，还有一些是有关利用氨基酸[15]、氟离子[16]、氰基[17]、pH[18]和强力[19]诱导螺吡喃结构开环的研究。

螺吡喃的开环构型和闭环构型呈现出不同的光谱性质，并且容易受到pH、特定离子或者生物分子的诱导，继而发生SP构型和MC构型的互变异构。基于这个机制，可以作为光学传感器，对相关离子和生物小分子进行检测[20-25]。

Shiraishi等[26]制备了一种可以选择性检测CN-的香豆素修饰的螺吡喃荧光探针。探针结构没有荧光，加入CN-后，CN-和与螺吡喃的开环结构发生亲核加成反应，进而促进了螺吡喃的开环平衡向右进行，而开环结构显示强的蓝色荧光，继而实现了对CN-的荧光检测。

Yin等[27]制备了一种可用于检测强酸强碱pH 的螺吡喃类荧光探针。当该探针处于pH小于2.0的强酸环境中时，分子开环并发射强的红色荧光；在中性的环境中，探针不发射荧光；而当探针处于pH大于等于12.0的强碱环境中时，其构型发生改变，主要以闭环的构型为主，同时相关酸性的取代基质子被中和，溶液呈现蓝色荧光。这些性质使得探针可应用在强酸或者强碱的环境中。

Sun等[28]设计并制备了一种可以选择性识别低聚物的探针。该探针的结构由螺吡喃和识别基团氨基萘2-氰基丙烯酸酯(ANCA)两部分构成，螺吡喃的空间刚性改性了低聚物的性质，同时增强了该复合物的荧光强度。基于该机理，探针可以特异性识别患有阿尔茨海默病模型小鼠大脑中的某类低聚物。

3 在生物成像方面的应用

螺吡喃类衍生物用做荧光探针时，检测物质引起的螺吡喃异构化的特性可以提高荧光成像的分辨率[29]。

Johnson等[30]开发了一类“开-关”型荧光探针(Tu-SP)。在激发波长是375 nm时，探针结构发生互变异构，并且发射强绿色荧光，借助此性质，该探针具备对HeLa细胞中微管蛋白进行高分辨荧光成像的能力。其原理可能是探针分子与秋水仙碱的复合结构可以选择性识别隐藏在HeLa细胞中的超痕量微管蛋白。

Zhang等[31]开发了一种“开-关”型螺吡喃类衍生物探针(TPP-CY)。该探针的机理是基于线粒体膜电位的变化，这种变化可以使得螺吡喃发生构型转化，根据转变前后谱图参数的变化能够比率检测线粒体膜电位并且实现其高分辨荧光成像。该探针可以用于细胞健康的评估。

4 在药物载体方面的应用

螺吡喃衍生物在不同条件下呈现出的两种构型表现出不同的物理性质，其中闭环构型是中性分子，开环构型是双离子分子。这个性质的不同使其表现出不同不同的润湿性质。即开环部花青结构呈现出亲水性，关环的SP构型呈现疏水性，基于此理论，螺吡喃结构与多孔材料复合后可用于调控药物分子的释放[32-35]。

Wen等[36]开发了一种螺吡喃桥链介孔二氧化硅的光控缓释药物载体。在365 nm的光激发下，螺吡喃发生互变异构，转变成亲水性的部花青构型，表面变为亲水性，使得存储在介孔中的药物分子游离到溶液中。

Liu等[37]开发了一种长波长红外光控制的药物控释体系，该体系采用上转化的纳米介孔二氧化硅作为载体，以负载在其表面的螺吡喃分子作为控制开关。当用波长980 nm激发光照射时，上转换材料将其转化为可使螺吡喃开环的短波长紫外光，螺吡喃开环，药物从孔道中游离出来。

5 其它方面的应用

螺吡喃及其衍生物通常呈现受到压力、温度、光照等刺激而变色的性质，这些性质使其在应力指示、温度传感、变色油墨、温变油墨等领域有广阔的应用。

Vamvakaki等[38]采用自由基聚合，将2-二甲胺基甲基丙烯酸乙酯和单体(SPMA)通过聚合反应形成二嵌段共聚物，该材料可以自组装形成胶束。同时呈现温度、pH和紫外光的刺激响应，这种响应表现为胶束物理性质的改变，此改变后可以选择性的释放包裹的物质。

Boydston等[39]制备了一类压致变色的螺吡喃材料，将该材料均匀分散于聚己内酯材料(PDL)中，当该材料受到外力时，螺吡喃会发生结构转变，变成紫色部花青结构，或当拉伸该材料时，材料本身也会变为紫色。研究者还成功将该材料应用于3D打印机。

6 结 语

螺吡喃是众所周知的光致变色化合物，开环的部花菁结构通常可以发射近红外波长的荧光，同时识别体系前后颜色变化明显，可肉眼识别，这个特性使其在多领域具有广阔的应用前景，近年来已成为研究热点。根据已报道文献显示，仅有日本大阪大学的Shiraishi等在2012年和2013年两篇文献报道过在螺吡喃5-位修饰金属离子识别基团的研究[26,40]，虽然实现了金属离子诱导螺吡喃开环，但其条件较为苛刻，一个需要在加热至60 ℃和氧气的参与下才能实现开环，另一个则需要在紫外灯照射下实现开环，这些限制了此类探针进一步更广泛的应用。因此能否通过进一步优化修饰基团来实现5-位修饰的螺吡喃分子在温和条件下对金属离子的选择性开环进而实现选择性识别是该类探针发展的一个令人很感兴趣的方向。